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Universidade Federal do Rio de Janeiro
Instituto Tércio Pacitti de Aplicações e
Pesquisas Computacionais
Alan Pacheco Estrella
ANÁLISE DAS REDES DE
ARMAZENAMENTO: Suporte para
Alta Disponibilidade de Servidores
Virtuais
Rio de Janeiro
2013
Alan Pacheco Estrella
ANÁLISE DAS REDES DE ARMAZENAMENTO:
Suporte para Alta Disponibilidade de Servidores
Virtuais
Monografia apresentada para obtenção do título de Especialista em Gerência de Redes de Computadores no Curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Gerência de Redes de Computadores e Tecnologia Internet do Instituto Tércio Pacitti de Aplicações e Pesquisas Computacionais da Universidade Federal do Rio de Janeiro – NCE/UFRJ.
Orientador:
Moacyr Henrique Cruz de Azevedo, M.Sc., UFRJ, Brasil
Rio de Janeiro
2013
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer aos meus pais que dedicaram suas vidas a minha criação e educação, a minha esposa que de forma carinhosa me deu força e coragem, ao meu filho que embora não tivesse conhecimento disto, iluminou de maneira especial os meus pensamentos me levando a buscar mais conhecimento. E queria agradecer também a todos aqueles que fizeram parte da minha vida e de alguma maneira me influenciaram para que eu chegasse a este momento, familiares, amigos e professores.
RESUMO
ESTRELLA, Alan Pacheco. ANÁLISE DAS REDES DE ARMAZENAMENTO: Suporte para Alta Disponibilidade de Servidores Vir tuais . Monografia (Especialização em Gerência de Redes e Tecnologia Internet). Núcleo de Computação Eletrônica, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2013.
O presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma visão das redes de armazenamento descrevendo as principais características das arquiteturas Network Attached Storage (NAS), Storage Area Network (SAN) e Storage Area Network Internet Protocol (SAN IP), realizando uma breve comparação entre elas a fim de auxiliar na definição da arquitetura da rede de armazenamento a ser implementada ao projetar um ambiente de servidores virtuais com alta disponibilidade.
ABSTRACT
ESTRELLA, Alan Pacheco. ANÁLISE DAS REDES DE ARMAZENAMENTO: Suporte para Alta Disponibilidade de Servidores Vir tuais . Monografia (Especialização em Gerência de Redes e Tecnologia Internet). Núcleo de Computação Eletrônica, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2013.
This study aims to develop a view of storage networking by describing the main characteristics of architectures Network Attached Storage (NAS), Storage Area Network (SAN) and Storage Area Network Internet Protocol (SAN IP), doing a brief comparison between them to assist in architecture definition of storage networking that will be implemented to design virtual servers with high availability..
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Camada de Virtualização [VMWARE, 2007] ..................................... 14 Figura 2 – Duas Formas de Implementar a Camada de Virtualização ............... 19 Figura 3 – Arquitetura típica de um processador X86/x64 [VMWARE1, 2007] . 21 Figura 4 – Arquitetura do Processador na Virtualização Total [VMWARE1, 2007] ........................................................................................................................... 22 Figura 5 – Arquitetura do Processador na Paravirtualização [VMWARE1, 2007] .......................................................................................................................... .24 Figura 6 – Arquitetura do Processador na Virtualização Assistida por Hardware [VMWARE1, 2007] ............................................................................................. 25 Figura 7 – Virtualização de Memória [VMWARE, 2007] ..................................... 26 Figura 8 – NIC Teaming na Camada de Virtualização [VMWARE, 2003] .......... 27 Figura 9 – Ponto único de falha ......................................................................... 29 Figura 10 – Implementação de tolerância à falha .............................................. 29 Figura 11 – Recurso de Failover do Cluster de Virtualização [VMWARE3, 2007] .......................................................................................................................... .32 Figura 12 – Recurso de Balancemanto de Carga do Cluster de Virtualização [VMWARE2, 2007] ............................................................................................. 32 Figura 13 – Uso da rede de armazenamento para acesso aos dados pelos hosts [Info-Tech, 2008] ................................................................................................ 33 Figura 14 – Componentes do sistema de armazenamento [NETO, ANTÔNIO, 2004] .................................................................................................................. 35 Figura 15 – Configurações dos RAID 0 e RAID 1 [ARMBRUST, VICTOR, 2012]. ........................................................................................................................... 37 Figura 16 – Diferenças de configuração entre RAID 0+1 e RAID 1+0 [ARMBRUST, VICTOR, 2012] ............................................................................ 38 Figura 17 – Diferenças de configuração entre RAID 3 e RAID 5 [ARMBRUST, VICTOR, 2012] ................................................................................................... 39 Figura 18 – Modelo de comunicação SCSI [NETO, ANTÔNIO, 2004] ............... 42 Figura 19 – Arquitetura de DAS externo ............................................................ 45 Figura 20 – vSphere Storage Applicance [MANFRIN, ALEXANDER, 2011] ...... 47 Figura 21 - Componentes do NAS [SOMASUNDARAM, G., 2011] .................... 49 Figura 22 – Fibras monomodo e multimodo ....................................................... 57 Figura 23 – Topologia Fibre Channel Arbitrated Loop [ DUARTE, OTTO, 2008]58 Figura 24 – Topologia Fibre channel switched fabric (FC-SW) [DUARTE, OTTO, 2008] .................................................................................................................. 59 Figura 25 – Topologia Core-edge ...................................................................... 59 Figura 26 – Topologia mesk parcial e mesk integral [SOMASUNDARAM, G., 2011] .................................................................................................................. 60 Figura 27 – Portais Fibre Channel [NETO, ANTÔNIO, 2004] ............................ 62 Figura 28 – Pilha de protocolos Fibre channel [JAVVIN, 2012].......................... 63 Figura 29 - Exemplo de zoneamento [ DUARTE, OTTO, 2008] ........................ 64 Figura 30 – Tipos de zoneamento [SOMASUNDARAM, G., 2011] .................... 65 Figura 31 – Implementações de comunicação iSCSI ......................................... 67 Figura 32 – Topologias de conectividade iSCSI Nativa e com Ponte ................ 69 Figura 33 – Pilha de protocolos da arquitetura iSCSI [DUARTE, OTTO, 2008] . 70 Figura 34 – Comparação das topologias de Redes de Armazenamento ........... 74
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANSI ATA
Asynchronous Transfer Mode Advanced Techonology Attachment
ATM Asynchronous Transfer Mode CIFS Common Internet File System CPL CPU CRC
Current Privilege Level Central Processing Unit Cyclic Redundancy Check
DAS DRS E/S EUI FC
FC-AL FCP
FC-SW Gbps HA
HBA HIPPI IDC IDE
IEEE IP
IQN ISA
iSCSI ISID ISL
iSNS LB
LDAP LUN MAC MMF MMU MMV MTU NAS NFS NIC NIS OSI
RAID RDM DRS RPC SAN
Direct Atached Storage Distributed Resource Scheduler Entrada e Saída Extended Unique Identifier Fibre Channel Fibre Channel Arbitrated Loop Fibre Channel Protocol Fibre Channel Switched Fabric Giga Bits por Segundo High Availability Host Bus Adapter Hlgh Performance Parallel Interface Internacional Data Corporation Intergrated Device Electronics Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol iSCSI Qualifield Name Instruction Set Architecture Internet Small Computer System Interface Initiator Session Identification Inter-Switch Link Internet Storage Name Service Load Balance Lightweight Directory Acess Protocol Logical Unit Number Media Acess Control Milti-Mode Fiber Memory Management Unit Monitor Máquina Virtual Maximum Transmission Unit Network Attached Storage Network File System Network Interface Card Network Information Service International Organization for Standardization Redundant Array of Independent Raw Device Mapping Distributed Resource Scheduler Remote Procedure Call Storage Area Network
SAS SATA SCSI SMB SMF SO
TCP TI
TLB TOE TSID UDP VLAN VM
WWN
Serial Attached SCSI Serial Advanced Techonology Attachment Small Computer System Interface Server Massage Block Single-Mode Fiber Sistema Operacional Transmission Control Protocol Tecnologia da informação Translation Lookaside Buffer TCP Offload Engine Target Session Identification User datagram Protocol Virtual Local Area Network Virtual Machine World Wide Names
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 12 2 VIRTUALIZAÇÃO DE SERVIDORES ............................................................. 16 2.1 CONCEITOS BÁSICOS DE VIRTUALIZAÇÃO ........................................... 16 2.1.1 Máquina Virtual ....................................................................................... 16 2.1.2 Camada de Virtualização ........................................................................ 18 2.1.3 Virtualiza ção de CPU ............................................................................. 20 2.1.3.1 Virtualização Total Usando Tradução Binária ........................................ 21 2.1.3.2 Paravirtualização .................................................................................... 23 2.1.3.3 Virtualização Assistida por Hardware ..................................................... 24 2.1.4 Virtualização de Memória ....................................................................... 25 2.1.5 Virtualização dos Dispositivos de Entrada e Saída .............................. 26 3 ALTA DISPONIBILIDADE .............................................................................. 28 3.1 TOLERÂNCIA À FALHA .............................................................................. 28 3.2 ALTA DISPONIBILIDADE PARA SERVIDORES VIRTUAIS ........................ 30 3.2.1 Cluster na Camada de Virtualização ...................................................... 31 3.2.2 Importância da Rede de Armazenamento ............................................. 32 4 SISTEMA DE ARMAZENAMENTO ................................................................ 34 4.1 COMPONENTES DO SISTEMA DE ARMAZENAMENTO .......................... 34 4.2 MATRIZ DE DISCOS E PROTEÇÃO DE DADOS: RAID ............................. 35 4.2.1 RAID 0 ...................................................................................................... 36 4.2.2 RAID 1 ...................................................................................................... 36 4.2.3 RAID 0+1 e RAID 1+0 ............................................................................... 37 4.2.4 RAID 3 ...................................................................................................... 38 4.2.5 RAID 5 ...................................................................................................... 39 4.3 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO .......................................................... 40 4.3.1 Integrated Device Electronics / Advanced Technology Attachment (IDE/ATA) e Serial ATA (SATA) ....................................................................... 40 4.3.2 Small Computer System Interface (SCSI ) e Serial Attached SCSI (SAS) ........................................................................................................................... 40 4.3.3 Fibre Channel Protocol – FCP ................................................................ 42 5 ARMAZENAMENTO DIRETAMENTE CONECTADO e ARMAZENAMENT O CONECTADO À REDE ...................................................................................... 44 5.1 ARMAZENAMENTO CONECTADO DIRETO – DIRECT-ATTACHED STORAGE (DAS) ............................................................................................... 44 5.1.1 Vantagens e Limitações ......................................................................... 45 5.1.2 Alternativas do DAS para Virtualização ................................................ 46 5.1.2.1 vSphere Storage Applicance .................................................................. 46 5.1.2.2 VM6 Manage Cloud Platform ................................................................. 47 5.2 ARMAZENAMENTO CONECTADO À REDE – NETWORK-ATTACHED STORAGE (NAS) ............................................................................................... 48 5.2.1 Componentes do NAS ............................................................................ 48 5.2.2 Implantação do NAS ............................................................................... 49 5.2.3 Protocolos de Compartilhamento .......................................................... 50 5.2.3.1 Network File System (NFS) .................................................................... 50 5.2.3.2 Common Internet File System (CIFS) .................................................... 51 5.2.4 Vantagens e Limitações do NAS ............................................................ 51 5.2.5 Utilizando NAS para Virtualização de Servidores ................................ 52
6 REDES DE ÁREA DE ARMAZENAMENTO – STORAGE AREA NETWORK (SAN) ................................................................................................................. 55 6.1 REDES DE ÁREA DE ARMAZENAMENTO SOBRE FC – STORAGE AREA NETWORK (SAN FC) ........................................................................................ 55 6.1.1 Componentes da SAN ............................................................................. 56 6.1.2 Cabeamento Fibre Channel .................................................................... 56 6.1.3 Topologia Fibre Channel ........................................................................ 57 6.1.3.1 Ponto-a-ponto ........................................................................................ 57 6.1.3.2 Laço Arbitrado – Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL) ...................... 57 6.1.3.3 Fibre Channel Switched Fabric (FC-SW) ............................................... 58 6.1.3.4 Fabric Core-Edge ................................................................................... 59 6.1.3.5 Mesk ....................................................................................................... 60 6.1.4 Portas Fibre Channel .............................................................................. 61 6.1.5 Fibre Channel Protocol (FCP) ................................................................ 62 6.1.5.1 Pilhas de Protocolos Fibre Channel ....................................................... 63 6.1.6 Zoneamento ............................................................................................. 64 6.2 REDES DE ÁREA DE ARMAZENAMENTO SOBRE IP – STORAGE AREA NETWORK IP (SAN IP) ..................................................................................... 65 6.2.1 Protocolo iSCSI ....................................................................................... 66 6.2.1.1 Conectividade iSCSI .............................................................................. 66 6.2.1.2 Topologias para Conectividade iSCSI .................................................... 68 6.2.1.3 Pilha de Protocolos da Arquitetura iSCSI ............................................... 69 6.2.1.4 Sessão iSCSI ......................................................................................... 70 6.2.1.5 Manipulação de Erros e Segurança iSCSI ............................................. 72 7 ANÁLISE COMPARATIVA DAS REDES DE ARMAZENAMENTO ............... 74 7.1 COMPARAÇÃO DOS PROTOCOLOS iSCSI, NFS e FC PARA VIRTUALIZAÇÃO ............................................................................................... 75 8 CONCLUSÃO ................................................................................................. 84
12
1 INTRODUÇÃO
Atualmente os sistemas computacionais ganharam grande importância para
as organizações, tornando cada vez mais rápido e eficiente o atendimento de
seus serviços. Para prover toda a demanda dos negócios são utilizados sistemas
como correio eletrônico, aplicações web, sistemas de banco de dados, que por
sua vez geram aumento na quantidade de equipamentos e nos custos em
relação à administração e suporte destes equipamentos e sistemas.
Outro ponto relevante para as organizações é a alta disponibilidade dos
sistemas e serviços, que está diretamente relacionada à continuidade do negócio
da empresa e pode ser o diferencial na escolha do cliente. Imagine uma empresa
bancária ou um site de conteúdo web ter seus serviços interrompidos, isso
prejudicaria a imagem da empresa e acarretaria prejuízos financeiros.
Os setores de tecnologia da informação (TI) têm buscado utilizar a
virtualização como solução para a redução de custos com a consolidação de
servidores e se beneficiando de recursos como a alta disponibilidade
proporcionada por esta tecnologia. Recentemente a empresa de pesquisa
Internacional Data Corporation (IDC) divulgou que quase 40% dos gerentes de TI
escolheram a virtualização e consolidação de servidores como principal
prioridade de TI para 2012 [MULLINS, ROBERT, 2012].
A virtualização consiste basicamente em criar uma versão virtual de algo real,
como um sistema operacional, system operation (SO), servidor, dispositivo de
armazenamento e recursos de rede. A virtualização de servidores permite que
um único servidor físico ou host possa executar vários servidores virtuais ou
máquinas virtuais, virtual machine (VM).
13
Cada máquina virtual pode executar diferentes sistemas operacionais e
aplicações isoladamente. A máquina virtual simula um computador físico,
emitindo requisições aos dispositivos de hardware como processadores,
memória, disco rígido, interface de rede e outros dispositivos que são geridos por
uma camada de virtualização que traduz essas solicitações para o hardware
[DESAI, ANIL, 2011].
A camada de virtualização é uma camada de software que pode ser instalada
e executada como um aplicativo sobre o sistema operacional ou diretamente
sobre o hardware do servidor. Estes conceitos serão melhor entendidos no
próximo capítulo. Essa camada realiza o particionamento e partilha dinâmica dos
recursos de hardware disponíveis, abstraindo o sistema operacional e aplicações
do hardware e encapsulando em máquinas virtuais portáteis, permitindo
flexibilidade e independência de hardware. A figura 1 ilustra este conceito. A
máquina virtual pode ser migrada do servidor físico sem a necessidade de
alterações de drives, sistema operacional ou aplicativos. Isso possibilita que
máquinas virtuais funcionem com tolerância a falha, sem tempo de
indisponibilidade quanto à necessidade de mudanças de configuração de
infraestrutura e manutenção de hardware.
Para realizar a migração da máquina virtual entre servidores físicos, estes
servidores precisam compartilhar uma área de dados comum, isso só será
possível se for utilizada uma área de armazenamento remoto em um dispositivo
de armazenamento.
14
Figura 1 – Camada de Virtualização [VMWARE, 2007]
O dispositivo de armazenamento ou storage, termo mais utilizado por
profissionais de TI, é o dispositivo que armazena os dados de forma magnética
ou óptica para acesso de servidores, que pode ser diretamente conectado ao
servidor ou através da rede [SOMASUNDARAM, G., 2011].
O acesso à área de armazenamento remoto pelos servidores ocorre através
de uma rede de armazenamento. Existem vários tipos de rede de
armazenamento suportados pelos softwares de virtualização, cada uma delas
pode oferecer vantagens e desvantagens dependendo do cenário a ser
analisado. As principais são: Armazenamento Conectado à Rede, Network
Attached Storage (NAS); Redes de Área de Armazenamento, Storage Area
Network (SAN) e Redes de Área de Armazenamento sobre Protocolo Internet,
Internet Protocol SAN (SAN IP).
As empresas se mostram entusiasmadas com a implementação da
virtualização dos servidores por causa dos benefícios que proporciona, e a rede
de armazenamento desempenha um papel importante nesta implementação. Um
15
planejamento adequado desta implementação é fundamental para garantir alta
disponibilidade e tolerância à falha.
Sobre este aspecto um entendimento claro das tecnologias disponíveis para
rede de armazenamento se faz necessário. Este trabalho tem como objetivo
discutir os principais tipos de redes de armazenamento utilizadas pela camada
de virtuaização, de forma a descrever as vantagens e desvantagens de cada
uma delas e sua melhor aplicação para determinadas situações, contribuindo no
planejamento e na implantação de servidores virtuais, visando garantir alta
disponibilidade, levando-se em consideração aspectos como desempenho,
capacidade, segurança e custo.
O trabalho a ser realizado será teórico, baseado na pesquisa literária, onde há
uma introdução dos conceitos básicos de virtualização e alta disponibilidade,
uma discussão de forma mais ampla, das principais tecnologias de redes de
armazenamento para garantir alta disponibilidade de servidores virtuais e uma
comparação entre as tecnologias apresentadas. Esta comparação será realizada
com base no software de virtualização vSphere da VMware, que conforme
pesquisa recente, realizada pela Gartner, é o software de virtualização mais
utilizado no mercado [GARTNET, INC, 2011].
Outro aspecto importante para garantir alta disponibilidade dos servidores
virtuais é a replicação das áreas de armazenamento, que não serão abordadas
neste trabalho, ficando em aberto para trabalhos futuros.
16
2 VIRTUALIZAÇÃO DE SERVIDORES
A virtualização de servidores está se tornando rapidamente parte fundamental
dos centros de processamento de dados. São muitas as motivações para
implantar um projeto de virtualização. A redução dos custos é o grande fator
motivacional. Na maioria dos servidores físicos o nível de utilização dos recursos
é baixo durante a maior parte do tempo, causando desperdício. A ideia básica de
executar vários servidores virtuais em um único servidor físico possibilita uma
melhor utilização dos recursos computacionais.
A redução de servidores físicos é eminente, o que possibilita uma redução
nos custos operacionais como manutenção de hardware, consumo de energia,
refrigeração e alocação de espaço no centro de processamento de dados. Além
disso, a virtualização de servidores traz outros benefícios como: gerenciamento
centralizado, flexibilidade, isolamento de ambiente e alta disponibilidade.
2.1 CONCEITOS BÁSICOS DE VIRTUALIZAÇÃO
Entende-se melhor como é possível o processo de virtualização, através do
compartilhamento dos recursos de hardware. Mas antes precisa-se conhecer os
dois principais componentes da virtualização: a máquina virtual e a camada de
virtualização.
2.1.1 Máquina Virtual
A máquina virtual é uma implementação de software totalmente isolada onde
um sistema operacional e aplicativos podem ser instalados e executados se
comportando exatamente como um computador físico. Os sistemas operacionais
e aplicativos não são capazes de diferenciar uma máquina virtual de um
17
computador real. A máquina virtual contém todos os dispositivos de hardware
virtuais: processador, memória, disco rígido, interface de rede e outros
dispositivos, que são geridos por uma camada de virtualização. Esta camada
traduz as solicitações para o hardware, trazendo muitas vantagens em relação
ao computador real [VMWARE, 2012]:
• Compatibilidade: As máquinas virtuais são compatíveis com os
sistemas operacionais, aplicativos e drivers disponíveis para padrão
x86/x64;
• Isolamento: Apesar de compartilhar recursos de hardware com outras
máquinas virtuais, elas são isoladas uma das outras. Se ocorrer um
problema com uma das máquinas virtuais de um mesmo host, as
demais não são afetadas;
• Encapsulamento: A máquina virtual é como um contêiner de software
que contém um conjunto de recursos de hardware virtuais, sistema
operacional e aplicativos, tornando as máquinas virtuais portáteis e de
fácil gerenciamento. Basicamente é um conjunto de arquivos que
pode-se mover ou copiar para qualquer dispositivo de armazenamento
de dados onde o software de virtualização tenha acesso para sua
execução;
• Independência de Hardware: As máquinas virtuais são independentes
do hardware e têm seus componentes de hardware virtuais que podem
ser diferentes dos componentes do hardware real e podem executar
sistemas operacionais diferentes.
18
2.1.2 Camada de Virtualização
Através da camada de virtualização é possível gerenciar e implementar as
máquinas virtuais, que podem ser implementada de duas formas: através das
máquinas virtuais de processo ou do sistema conhecido como monitor de
maquina virtual (MMV) ou hipervisor.
A máquina virtual de processo é um programa de aplicação, instalado e
executado sobre o sistema operacional que oferece suporte para uma variedade
de hardware x86/x64, podendo executar com outros sistemas operacionais. Um
exemplo é a execução do VirtualBox1 executando sobre um computador
Windows e carregando uma maquina virtual Linux.
O monitor de máquina virtual, ou hipervisor, é o software da camada de
virtualização que é instalado diretamente sobre o computador, tendo acesso
direto aos recursos de hardware, não passando por um sistema operacional, o
que o torna mais eficiente do que as máquinas virtuais de processo, tendo maior
desempenho, escalabilidade e robustez. Através do hipervisor é possível
executar vários sistemas operacionais diferentes, simultaneamente no mesmo
hardware. A figura 2 ilustra as duas formas de implementar a camada de
virtualização.
Neste trabalho será usado como referência da camada de virtualização o
hipervisor por se tratar de um ambiente mais robusto para a virtualização de
servidores e a implementação de alta disponibilidade.
19
Figura 2 – Duas Formas de Implementar a Camada de Virtualização
Vantagens do uso do hipervisor:
• Gerenciamento centralizado: o Hipervisor passa a ser o elemento central
na administração dos servidores virtuais;
• Flexibilidade: a criação de novas máquinas virtuais e a inclusão de novos
recursos para as máquinas virtuais já existentes levam poucos minutos;
• Isolamento de ambiente: mesmo compartilhando recursos cada máquina
virtual é executada isoladamente, de forma que uma máquina virtual não
interfere em outra. Um exemplo é que se uma máquina virtual apresentar
problema as demais continuam sua execução normalmente;
• Alta disponibilidade: provê disponibilidade do serviço sem interrupção,
através de redundância dos hosts virtuais. O hipervisor permite a criação
1 VirtualBox é um software de virtualização que visa criar máquinas virtuais para instalação de sistemas operacionais
distintos, executado sobre outro sistema operacional como um aplicativo.
20
de clusters2 e a integração com o Storage que possibilita a migração de
servidores virtuais de hosts que fazem parte do cluster, caso um destes
hosts falhe.
2.1.3 Virtualização de CPU
A virtualização não é uma tarefa simples. Além da preocupação com
desempenho existe a questão de como compartilhar os recursos de hardware
entre o sistema operacional nativo e convidado, sem que ocorram conflitos,
começando pelo processador que é o principal componente do computador. Para
entender precisa-se conhecer alguns conceitos da arquitetura x86/x64.
O processador contém um conjunto de instruções de máquina, Instruction Set
Architecture (ISA), que é a interface entre o hardware e o software. Estas
instruções são divididas em quatro modos de operação denominados de anéis de
proteção, Rings ou nível de privilégio corrente, Current Privilege Level (CPL),
identificados de 0 a 3. Os sistemas operacionais convencionais, como Windows e
Unix, utilizam apenas dois níveis de privilégios, o Ring 0 que é usado pelo
sistema operacional e permite a execução de instruções de maior privilégio,
como manipulação de recursos de hardware, e o Ring 3 instruções de menor
privilégio que são executadas por aplicações de usuário. Uma alternativa para
aplicações de usuários são as chamadas de sistemas que permitem que
programas de usuários, após autenticação e validação da operação, acessem de
forma indireta e controlada recursos de hardware. Isso era a grande dificuldade
2 Cluster é formado por um conjunto de computadores, que utiliza um tipo especial de sistema operacional classificado
como sistema distribuído. Ligados em rede e comunicam-se através do sistema, trabalhando como se fossem uma única
máquina de grande porte.
21
para a virtualização na arquitetura x86/x64. A figura 3 demonstra a arquitetura
típica de um processador x86/x64.
Figura 3 – Arquitetura típica de um processador x86/x64 [VMWARE1, 2007]
Este desafio foi vencido pela VMware em 1998, através da técnica de
translação binária, que possibilita ao hipervisor executar com privilégio Ring 0
isolado, movendo o sistema operacional para um nível de privilégio maior que as
aplicações de usuário, Ring 3, e menor que o Ring 0. Na prática a virtualização
de CPU na arquitetura x86/x64 funciona através da alteração de privilégios de
execução das instruções de máquina dos processadores. Existem três técnicas
alternativas para virtualizar CPU: virtualização total usando tradução binária,
paravirtualização e virtualização assistida por hardware.
2.1.3.1 Virtualização Total Usando Tradução Binária
Virtualização Total usando tradução Binária consiste em criar uma réplica dos
componentes de hardware para a máquina virtual de forma que o sistema
operacional e aplicações possam ser executados como se estivessem sobre o
hardware original. Nesta abordagem as instruções privilegiadas emitidas pelo
sistema operacional convidado são traduzidas pelo hipervisor para uma nova
sequência de instruções que têm o efeito pretendido no hardware. Já as
22
instruções de nível de usuário são executadas diretamente no processador. A
figura 4 representa esta abordagem. Os produtos de virtualização da VMware e
Microsoft são exemplos de virtualização total.
Figura 4 – Arquitetura do Processador na Virtualização Total [VMWARE1, 2007]
Esta combinação de execução direta e tradução binária fornece a
virtualização total para o sistema operacional convidado de forma a abstrair
totalmente o hardware pela camada de virtualização. A grande vantagem é que
não há necessidade de modificações no sistema operacional convidado para
executar sobre o hipervisor, o que facilita a migração de máquinas virtuais entre
servidores físicos, pois existe total independência dos recursos de hardware.
Porém esta abordagem tem algumas desvantagens.
O hipervisor controla todos os processos e todas as chamadas ao hardware,
realizando a tradução binária para as instruções privilegiadas, podendo levar a
uma perda de desempenho. Outra desvantagem é em relação à diversidade de
componentes de hardware que compõem um computador: imitar o
comportamento exato destes componentes é uma tarefa difícil e a solução
adotada é a utilização de um conjunto genérico de dispositivos. Com isso pode
ocorrer perda de desempenho, podendo haver substituição de recursos quando
23
comparado ao hardware real. Existe outro problema técnico em relação à
implementação de memória virtual através de paginação pelos sistemas
operacionais convidados, que é converter o espaço de endereçamento do
sistema operacional convidado para um endereçamento real, disputando
recursos com outros sistemas convidados. Esse tratamento também representa
uma perda de desempenho.
2.1.3.2 Paravirtualização
A Paravirtualização surgiu como uma abordagem alternativa para contornar
as desvantagens da virtualização total referente a processamento. Esta
abordagem implica em alterar o Kernel3 do sistema operacional convidado para
substituir instruções privilegiadas que se comunicam diretamente com o
hipervisor, melhorando seu desempenho. As instruções de usuário são
executadas diretamente no processador como na virtualização total. A figura 5
ilustra esta abordagem. O projeto Xen de código aberto, Xen Open Source, é um
exemplo de Paravirtualização.
Os dispositivos da máquina virtual são uma abstração do hardware que não
são idênticos ao hardware físico. Estes dispositivos são acessados através de
drivers do próprio hipervisor, o que otimiza o desempenho. Sua desvantagem é
justamente em relação à modificação necessária no sistema operacional
convidado, que dificulta sua adoção [VERAS, MANUEL, 2011].
3 Kernel é o núcleo do sistema operacional, responsável pela comunicação entre as aplicações e os componentes de
hardware, realizando o gerenciamento dos componentes de hardware como: processador, memória e dispositivos de entrada e
saída.
24
Figura 5 – Arquitetura do Processador na Paravirtualização [VMWARE1, 2007]
2.1.3.3 Virtualização Assistida por Hardware
Virtualização assistida por hardware é na verdade o desenvolvimento de
novos recursos nos processadores, pelos fornecedores, para simplificar as
técnicas de virtualização. A Intel e AMD desenvolveram respectivamente as
tecnologias de virtualização VT-x e AMD-V, alterando o modo de operação dos
processadores, de forma que o hipervisor passou a executar em um Ring abaixo
do Ring 0, ou seja, com maior prioridade que o sistema operacional, como
demonstra a figura 6. As instruções privilegiadas são automaticamente
interceptadas pelo hipervisor de forma a eliminar a necessidade da tradução
binária ou Paravirtualização.
O problema é que estes novos processadores foram lançados em 2006 e
apenas novos sistemas ganham vantagens dos recursos da virtualização
assistida por hardware. A primeira geração destes processadores perdia em
desempenho para a virtualização total, em função da rigidez da programação.
Apenas os processadores x64 permitiam que sistemas desenvolvidos para
virtualização total fizessem também a virtualização assistida por hardware,
ganhando desempenho [VMWARE1, 2007].
25
Figura 6 – Arquitetura do Processador na Virtualização Assistida por Hardware
[VMWARE1, 2007]
2.1.4 Virtualização de Memória
A memória é o próximo componente crítico no processo de virtualização que
nada mais é do que o compartilhamento da memória física e atribuição dinâmica
à máquina virtual. Funciona parecido com o processo de memória virtual dos
atuais sistemas operacionais. Os sistemas operacionais realizam a tradução do
número da página virtual para o número da página física armazenando em uma
tabela de paginação. Os atuais processadores contêm uma unidade de
gerenciamento de memória, Memory Management Unit (MMU), que realiza esta
tradução e utiliza um cache associado chamado Translation Lookaside Buffer
(TLB) para otimizar o desempenho da memória virtual.
Basicamente é preciso virtualizar a MMU. O sistema operacional convidado
continua realizando o mapeamento entre o endereço virtual e o físico, mas sem
acesso direto à memória real. O hipervisor realiza o mapeamento da memória
física da máquina virtual para a memória real através do TLB da máquina virtual,
para evitar duas camadas de tradução, conforme demonstrado na figura 7. A
virtualização da MMU gera uma sobrecarga na virtualização, mas a segunda
26
geração da virtualização assistida por hardware oferece ganhos de desempenho
[VMWARE1, 2007].
Figura 7 – Virtualização de Memória [VMWARE, 2007]
2.1.5 Virtualização dos Dispositivos de Entrada e Saída
É o compartilhamento dos componentes físicos de entrada e saída para a
máquina virtual. O hipervisor virtualiza os componentes de hardware para as
máquinas virtuais como um conjunto padronizado de dispositivos virtuais,
utilizando drivers de dispositivos padronizados, traduzindo e gerenciando as
solicitações dos dispositivos virtuais para os componentes de hardware. Isso
possibilita uma portabilidade com todas as máquinas virtuais configuradas para
execução dos mesmos dispositivos virtuais, independente dos componentes de
hardware.
O software de gerenciamento e virtualização de entrada e saída permite um
rico conjunto de recursos, como a criação de switches virtuais, placas de redes
virtuais e redes virtuais entre máquinas virtuais sem tráfego na rede física.
Também permite o agrupamento de múltiplas placas de rede físicas, Network
Interface Card (NIC) Teaming, de forma transparente para a máquina virtual.
Caso ocorra uma falha em uma das placas de rede as demais mantêm a
conexão física sem a percepção de falha para a máquina virtual, provento
27
tolerância à falha. Este conceito será melhor entendido com o próximo capítulo. A
figura 8 ilustra a configuração da NIC Teaming.
Figura 8 – NIC Teaming na Camada de Virtualização [VMWARE, 2003]
A criação de NIC Teaming e a padronização dos dispositivos de entrada e
saída virtuais, em conjuntos com outros recursos da virtualização, como a
criação de cluster de servidores, permite a alta disponibilidade para as maquinas
virtuais.
28
3 ALTA DISPONIBILIDADE
Alta disponibilidade, High Availability (HA), é a capacidade de prover
disponibilidade de recursos e serviços com o mínimo de interrupções. É uma
combinação de soluções de redundância de hardware, software e um conjunto
de bons processos [MICROSOFT, 2008].
O acesso contínuo às informações é essencial para a continuidade dos
negócios das empresas. A interrupção do acesso pode acarretar em grandes
prejuízos financeiros, por este motivo as empresas buscam cada vez mais
soluções de alta disponibilidade.
Pela definição percebemos que a alta disponibilidade tem por objetivo a busca
por uma forma de manter os serviços disponíveis o máximo possível, mesmo que
ocorra alguma falha, aí está implícito o conceito de tolerância à falha.
3.1 TOLERÂNCIA À FALHA
Primeiro vamos entender o que é um ponto único de falha. O ponto único de
falha se refere à falha de um único componente que causará a indisponibilidade
do sistema ou serviço. A figura 9 ilustra possíveis pontos únicos de falha em um
sistema complexo que contém vários componentes: servidor, rede, switch e
storage. Neste cenário o serviço executado no servidor está disponível ao cliente
através de uma rede IP e grava e lê dados no storage, através da conexão de
fibra óptica, fibrel channel (FC), entre o servidor e o storage. Esta conexão é
possível através de uma placa de fibra óptica, conhecida como host bus adapter
(HBA), instalada no servidor e conectada ao switch FC, que por sua vez é
conectado à placa HBA do storage.
29
Figura 9 – Ponto único de falha
Com esta configuração uma simples falha em um dos componentes
envolvidos causará a indisponibilidade do serviço. Neste exemplo podemos
indicar diversos pontos únicos de falha: servidor, única placa HBA no servidor,
rede IP, switch de fibra óptica, porta da placa HBA no storage e o próprio
storage. Para minimizar as causas do ponto único de falha é essencial à
implementação dos mecanismos de tolerância à falha.
A tolerância à falha é o conceito que, através dos mecanismos de
redundância e replicação, procura atenuar um ponto único de falha, de forma que
o serviço só ficará indisponível caso todos os componentes do grupo de
redundância falhem, e não apenas um [SOMASUNDARAM, G., 2011]. A figura
10 ilustra a implementação de tolerância à falha.
Figura 10 – Implementação de tolerância à falha
30
Neste cenário os pontos únicos de falha são eliminados através de melhorias
na infraestrutura:
• Configuração de várias placas HBA’s no servidor para atenuar uma
falha em uma única placa HBA;
• Configuração de vários switches de FC para minimizar uma falha em
um dos switches;
• Configuração de várias portas do storage para aumentar a
disponibilidade de acesso aos dados no storage;
• Implementação de replicação de dados entre storage local e o storage
em localidade remota para atenuar falha no storage;
• Implementação de cluster de servidores que garante a redistribuição de
carga de processamento entre os demais servidores do cluster caso
ocorra uma falha em algum deles.
3.2 ALTA DISPONIBILIDADE PARA SERVIDORES VIRTUAIS
Um dos principais recursos da alta disponibilidade é o cluster de servidores.
O cluster de servidores é um mecanismo de redundância que permite a criação
de um pool de recursos entre dois ou mais servidores, cujo objetivo é distribuir
carga de processamento entre eles. Com isso é possível realizar
processamentos que só seria possível em um servidor de alto desempenho.
Os servidores que compõem o cluster são denominados host ou nó. Todos os
nós devem ser interconectados através de uma rede que permita o acréscimo ou
a retirada de um nó sem interromper a execução do cluster.
31
Através da conexão heartbeat4 os servidores do cluster trocam informações
para identificar seus estados. Caso um dos servidores falhe a carga de
processamento é distribuída entre os demais.
Por uma questão conceitual passarão a ser chamadas máquinas virtuais de
servidores virtuais e servidores físicos de hosts.
3.2.1 Cluster na Camada de Virtualização
O cluster é configurado no hipervisor, a versão do hipervisor deve ser a
mesma para todos os nós do cluster. Existem duas opções de configurações
disponíveis: balanceamento de carga, load balance (LB) e failover.
• Failover – É a técnica no qual um host assume os serviços de outro
quando este apresenta falha. Neste caso os servidores virtuais que
estavam em execução no host que falhou são reiniciados nos hosts
sem problemas. Cada host monitora os demais através da conexão
hearbeat para identificar a falha. O hipervisor garante que haja no pool
recurso suficiente para que os servidores virtuais sejam redistribuídos.
A figura 11 ilustra este recurso.
• Load Balance (LB) – O hipervisor monitora os recursos disponíveis em
cada host e caso um host tenha pouco recurso disponível é possível
mover uma instância em execução de um servidor virtual de host para
outro do pool de recursos, de forma a redistribuir carga de
4 Heartbeat é o processo responsável por monitorar o status dos servidores do cluster através de testes periódicos, permitindo
através do status, detectar falha em um dos nós de forma que o outro nó sem problema assuma as funções do nó que falhou.
32
processamento entre os hosts sem que haja indisponibilidade do
servidor virtual durante este processo. A figura 12 ilustra este recurso.
Figura 11 – Recurso de Failover do Cluster de Virtualização [VMWARE3, 2007]
Figura 12 – Recurso de Balancemanto de Carga do Cluster de Virtualização
[VMWARE2, 2007]
3.2.2 Importância da Rede de Armazenamento
O cluster na camada de virtualização é possível devido à flexibilidade
proporcionada pelos servidores virtuais. O servidor virtual é basicamente um
33
conjunto de arquivos interpretados pelo hipervisor. Para configuração do cluster
na camada de virtualização todos os hosts que farão parte do cluster devem
executar a mesma versão do hipervisor e ter acesso de leitura e gravação ao
conjunto de arquivos dos servidores virtuais.
Através da rede de armazenamento é possível que uma área de
armazenamento seja compartilhada pelos hosts de forma que o conjunto de
arquivos dos servidores virtuais seja acessado por todos os hosts. A figura 13
ilustra esta configuração.
Figura 13 – Uso da rede de armazenamento para acesso aos dados pelos hosts
[Info-Tech, 2008]
Nos próximos capítulos serão vistos conceitos sobre as redes de
armazenamento e discutida sua aplicação para a alta disponibilidade dos
servidores virtuais.
34
4 SISTEMA DE ARMAZENAMENTO
O armazenamento de dados é um dos principais elementos para os sistemas
e aplicativos. Os usuários utilizam aplicativos para armazenar e recuperar dados.
Os dados tratados pelos aplicativos são gravados no meio de armazenamento
passando durante este processo por vários componentes que coletivamente são
chamados de sistema de armazenamento.
4.1 COMPONENTES DO SISTEMA DE ARMAZENAMENTO
Os principais componentes do sistema de armazenamento são:
• Servidor, Host: provê recursos de hardware e software para as
aplicações. Os hosts podem ser desktops simples ou complexos
clusters de servidores;
• Aplicação: fornece ambiente de entrada e saída (E/S) de dados
referentes aos processos executados. O hipervisor é um exemplo de
aplicação;
• Meio de Armazenamento: provê a infraestrutura necessária para o
armazenamento e recuperação dos dados provenientes das
aplicações. São alguns exemplos de meio de armazenamento: discos
rígidos, discos ópticos e unidades de fitas. Os discos rígidos são mais
utilizados nos sistemas de armazenamento;
• Dispositivos de Armazenamento, Storage: são equipamentos
específicos de armazenamento de dados com características de alto
desempenho, flexibilidade, escalabilidade e alta disponibilidade;
35
• Meio de Transporte: provê conectividade física entre servidores e
dispositivos de armazenamento. Exemplo cabeamento;
• Protocolo de Comunicação: realiza a comunicação lógica entre
servidores e dispositivos de armazenamento. Os protocolos Small
Computer System Interface (SCSI) e Fibre Channel (FC) são alguns
exemplos.
A figura 14 ilustra os componentes do sistema de armazenamento.
Figura 14 – Componentes do sistema de armazenamento [NETO, ANTÔNIO, 2004]
4.2 MATRIZ DE DISCOS E PROTEÇÃO DE DADOS: RAID
Quando se fala em sistema de armazenamento, um importante mecanismo
deve ser levado em consideração em relação ao desempenho de E/S dos dados:
proteção contra falha ou redundant array of independent (RAID).
RAID é a tecnologia que permite o uso de vários discos em conjunto,
fornecendo proteção aos dados contra falhas nos discos e otimizando
desempenho de E/S de dados. Pode ser implementado por software, em nível de
sistema operacional, que afeta o desempenho devido à carga adicional de
36
processamento, sendo pouco usado. Pode também ser implementado por
hardware, através do uso de controladores de discos que tenham esta função.
Existem vários tipos de configuração de RAID baseadas em técnicas de
distribuição, espelhamento e paridade. Essas técnicas influenciam no
desempenho de E/S dos dados e determinam sua disponibilidade. As diferenças
entre os tipos devem ser consideradas na definição de qual usar. Este tópico
detalha os tipos de RAID.
4.2.1 RAID 0
A configuração RAID 0 oferece unicamente distribuição de dados. Os dados
são distribuídos pelos discos da matriz do RAID, permitindo que um arquivo seja
fracionado por vários discos da matriz. Esta configuração aumenta o
desempenho de acesso aos dados uma vez que os controladores de discos
podem trabalhar paralelamente. Todavia, não fornece proteção e disponibilidade
de dados em caso de falha em algum disco da matriz. A figura 15(a) ilustra esta
configuração.
4.2.2 RAID 1
Nesta configuração é aplicada a técnica de espelhamento, onde os dados são
gravados simultaneamente em dois discos, produzindo duas cópias dos dados
para proteção e redundância à falha. Caso um disco falhe, os dados
permanecem íntegros no outro e a controladora de discos passa a atender as
solicitações a partir do disco bom. Esta é a configuração de RAID mais segura e
de menor impacto na recuperação de falha, tendo em vista que todos os dados
são duplicados. Porém, o desempenho de gravação é prejudicado e seu custo é
37
elevado devido à necessidade de armazenamento ser duas vezes maior do que
a de dados. A figura 15(b) ilustra esta configuração.
Figura 15 – Configurações dos RAID 0 e RAID 1 [ARMBRUST, VICTOR, 2012]
4.2.3 RAID 0+1 e RAID 1+0
Na maioria dos casos é necessário o desempenho oferecido no RAID 0 e a
redundância de dados do RAID 1. Essas duas configurações combinam técnicas
de distribuição e espelhamento, porém são necessários um número maior de
discos, no mínimo quatro. Elas oferecem às mesmas vantagens, entretanto, a
operação de reconstrução do RAID após uma falha se difere entre as duas. A
figura 16 ilustra as diferenças de configuração.
No RAID 0+1 os dados inicialmente são gravados divididos entre os discos
para melhorar o desempenho e depois são duplicados utilizando outros discos.
No caso de falha de um disco o par de distribuição inteiro falhará, passando a
funcionar como um RAID 0. Na reconstrução do RAID, o par de distribuição
inteiro é reproduzido a partir do par saudável, gerando um aumento na carga de
leitura dos discos bons. O que não acontece no RAID 1+0.
No RAID 1+0 ou RAID 10 o elemento base é o espelhamento. Primeiro os
dados são espelhados e depois distribuídos entre os demais discos da matriz.
38
Quando um disco falha apenas o espelho é reconstruído e a controladora de
disco replica apenas o disco bom do par espelhado.
Figura 16 – Diferenças de configuração entre RAID 0+1 e RAID 1+0 [ARMBRUST,
VICTOR, 2012]
4.2.4 RAID 3
Nesta configuração é usado paridade para melhorar a tolerância à falha e os
dados são distribuídos nos discos da matriz para obter alto desempenho.
Paridade é a técnica que, através de cálculos matemáticos, é possível recuperar
dados perdidos caso ocorra uma falha. É uma verificação de redundância que
garante a integridade, sem o custo de duplicar todos os dados. As informações
de paridade são armazenadas em um disco dedicado da matriz de discos. Tem
um bom desempenho na leitura dos dados, mas tem um custo na gravação,
devido à paridade e pelos blocos lógicos distribuídos nos discos serem
acessados consecutivamente. Já na recuperação de falha tem um desempenho
inferior comparado ao espelhamento, mas tem um menor custo de espaço para
garantir à tolerância a falha. A figura 17(a) ilustra esta configuração.
39
• RAID 5
Esta configuração é parecida com o RAID 3 com algumas diferenças. No
RAID 5 assim como no RAID 3 é usada paridade para melhorar a tolerância à
falha, porém diferencia-se porque assim como os dados a paridade é distribuída
nos discos da matriz, o que não ocorre no RAID 3, onde apenas os dados são
distribuídos. Outra diferença é o acesso independente aos discos, onde para os
dados específicos serem acessados em um único disco não há necessidade de
ler todo o bloco lógico distribuído, o que ocorre no RAID 3. Estas diferenças
melhoram o desempenho de gravação em relação ao RAID 3. Esta configuração
de RAID é muito versátil e esta ilustrada na figura 17(b).
Figura 17 – Diferenças de configuração entre RAID 3 e RAID 5 [ARMBRUST,
VICTOR, 2012]
Outras configurações de RAID como RAID 2, RAD 4 e RAID 6 também
utilizam paridade. Porém estas configurações são pouco utilizadas devido à boa
eficiência do RAID 5.
40
4.3 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
O servidor se comunica com os discos, através de protocolos predefinidos,
como Integrated Device Electronics / Advanced Technology Attachment
(IDE/ATA), serial ATA(SATA), Small Computer System Interface (SCSI), Serial
Attached SCSI (SAS) e FC. Estes protocolos são implementados na controladora
de disco do servidor, e normalmente o disco é conhecido pelo nome do protocolo
que suporta.
• Integrated Device Electronics / Advanced Technology Attachment
(IDE/ATA) e Serial ATA (SATA)
O IDE/ATA exprime duas especificações, o IDE que é a especificação da
comunicação entre controladores de discos e placa-mãe, e o ATA que é a
especificação para conexão das controladoras de discos e o meio de
armazenamento.
SATA é a especificação serial para o padrão IDE/ATA, desenvolvida para
substituir a versão ATA paralela. Os discos SATA são atualmente utilizados
como padrão de mercado para computadores pessoais.
• Small Computer System Interface (SCSI ) e Serial Attached SCSI (SAS)
O SCSI foi desenvolvido para criar um protocolo de alto desempenho, que
logo virou padrão de mercado com o reconhecimento pela American National
Standards Institution (ANSI5). Ele sofreu modificações, passando pelos padrões
SCSI-1, SCSI-2 e SCSI-3 e evoluindo para um padrão robusto, oferecendo
melhor desempenho e opções de expansão e compatibilidade em comparação
5 ANSI é uma organização americana com a função de estabelecer quais normas desenvolvidas devem virar padrões.
41
com o IDE/ATA. O SCSI fornece um eficiente barramento de E/S de dados
ponto-a-ponto com suporte a múltiplos dispositivos de armazenamento, o que o
torna apropriado para computadores de grande desempenho como o storage.
A arquitetura SCSI-3 é utilizada no desenvolvimento e projetos de hardware
com base nos três componentes principais.
• Protocolo de comando SCSI-3: consiste nos comandos básicos
comuns a todos os dispositivos e comandos específicos
exclusivos a determinada classe;
• Protocolo de camada de transporte: Conjunto de regras pela quais
os dispositivos comunicam e compartilham informações;
• Interconexões da camada física: Padrão de interface, como
métodos de sinalização elétrica e modos de transferência de
dados.
A arquitetura SCSI-3 utiliza um conceito iniciador-destino, initiator-target,
representando um modelo cliente servidor, onde cada dispositivo executa as
seguintes funções:
• Dispositivo initiator SCSI: Envia comando para o dispositivo
destino executar. Uma controladora SCSI é um exemplo;
• Dispositivo target SCSI: Executa os comandos enviados pelo
initiator. Um dispositivo de armazenamento é um exemplo, porém
em determinadas implementações a controladora SCSI pode ser
um dispositivo target.
42
No modelo de comunicação initiator-target SCSI os dispositivos comunicam-
se através de comandos SCSI, definidos no componente protocolo de comando e
são independentes do tipo de interface, podendo ser SCSI paralelo, SAS e FC.
Figura 18 – Modelo de comunicação SCSI [NETO, ANTÔNIO, 2004]
SAS é a evolução do SCSI paralelo, que implementa o padrão SCSI com
comunicação serial. Aborda a robustez necessária para os computadores de alto
desempenho, suportando taxa de transferência de 3 Gbps e conectividade com
múltiplos dispositivos.
• Fibre Channel Protocol – FCP
É o protocolo que implementa o padrão SCSI-3 para as redes fibre channel
(FC). FC é a rede de armazenamento de alta velocidade que utiliza como meio
físico a fibra óptica, com velocidade de acesso 8,5 Gbps. É amplamente utilizado
na arquitetura SAN.
4.4 REDES DE ARMAZENAMENTO
As redes de armazenamento são redes projetadas para permitir que os hosts
tenham acesso remoto às áreas de dados no dispositivo de armazenamento. As
43
tecnologias existentes se diferenciam pelo meio de transporte e protocolo de
comunicação.
Uma importante classificação para o entendimento dos protocolos de
transporte, que serão apresentados nos próximos capítulos, é o nível de acesso
aos dados, que são de dois tipos:
• Acesso em nível de bloco: é o mecanismo pelo qual os dados são
acessados nos discos em baixo nível. Os dados são armazenados
e recuperados dos discos, através da identificação do endereço
lógico do bloco. O bloco é a unidade básica de armazenamento e
é a localização dos dados no disco físico. O endereço do bloco é
derivado da configuração geométrica do disco;
• Acesso em nível de arquivo: abstrai o acesso em nível de bloco. A
solicitação é enviada por meio da especificação do nome e
caminho do arquivo. O sistema de arquivo gerenciado pelo
sistema operacional é que usa o acesso em nível de bloco
correspondente, abstraindo as complexidades do endereçamento
de bloco para as aplicações.
A necessidade de armazenamento atende as necessidades das aplicações,
neste trabalho o cluster do hipervisor. Por isso é ideal o entendimento de cada
tecnologia disponível para as redes de armazenamento.
44
5 ARMAZENAMENTO DIRETAMENTE CONECTADO E ARMAZENAMENTO
CONECTADO À REDE
5.1 ARMAZENAMENTO CONECTADO DIRETO – DIRECT-ATTACHED STORAGE
(DAS)
A arquitetura DAS tem o modelo mais simples de interconexão em um
sistema de armazenamento. É a tecnologia que conecta diretamente o servidor
ao dispositivo de armazenamento, utilizando protocolos de acesso em nível de
bloco.
O DAS é classificado como interno ou externo, conforme a localidade do
dispositivo de armazenamento em relação ao servidor.
• DAS interno: o dispositivo de armazenamento é conectado
internamento ao host, através do barramento e fica limitado a
distância, devido a curta conectividade do barramento para alta
velocidade, e a quantidade de dispositivos suportadas pelo
barramento. Usa protocolos IDE / ATA, SATA, SAS ou SCSI.
• DAS externo: o host se conecta diretamente ao dispositivo de
armazenamento externo, podendo usar conexão física por fibra
óptica ou cabo par trançado, usando respectivamente os
protocolos FC ou Small Computer System Interface (SCSI). A
figura 19 ilustra o DAS externo.
As principais diferença entre o DAS interno e externo é que o externo supera
as limitações de distância, quantidade de dispositivos e fornece gerenciamento
centralizado.
45
Figura 19 – Arquitetura de DAS externo
• Vantagens e Limitações
O DAS requer um investimento menor em relação às redes de
armazenamento compartilhadas como SAN e NAS, e se mostra uma boa
alternativa para a expansão de área de armazenamento para poucos servidores,
sendo uma solução viável para pequenas e médias empresas. A configuração é
simples e é gerenciada por ferramentas baseadas no servidor como o sistema
operacional, o que torna o gerenciamento fácil com menos tarefas e elementos
de hardware e software em relação às redes SAN e NAS.
Entretanto, o DAS demonstra algumas limitações como escalabilidade, falta
de componentes de redundância, quantidade de servidores conectados devido
ao número de portas, largura de banda limitada que restringe a capacidade de
processamento de E/S de dados e limitações de distância devido à conexão
direta. Porém, sua maior limitação é a incapacidade de distribuir área de
armazenamento entre servidores com capacidade de armazenamento sobrando
46
e servidores com falta de área de armazenamento [SOMASUNDARAM, G.,
2011].
Algumas destas limitações inviabilizam a utilização do DAS para a alta
disponibilidade de servidores virtuais, porém o custo de uma solução de
armazenamento compartilhado, SAN e NAS, muitas vezes não se justifica para
pequenas e médias empresas. Pensando nisso muitas empresas têm investido
em soluções alternativas de hardware e software para o uso do DAS no suporte
a virtualização.
• Alternativas do DAS para Virtualização
Existem várias soluções alternativas de utilizar o DAS para a virtualização.
Duas delas serão apresentadas, sendo uma para plataforma VMware e outra
para a plataforma Microsoft.
5.1.2.1 vSphere Storage Applicance
A Vmware oferece na versão do vSphere 5 o vSphere Storage Appliance
(VSA), uma solução que possibilita a criação de um storage virtual usando discos
locais de cada host, e assim oferece um ambiente com alta disponibilidade e
balanceamento de carga. Esta solução visa atender pequenos ambientes com
até três hosts, onde não justificaria o investimento em soluções como NAS e
SAN.
A solução implementa um cluster VSA, onde é criado um storage virtual entre
os hosts. Estes hosts pertencentes ao cluster passam a ter acesso ao volume
VSA pelo protocolo Network File System (NFS). Este protocolo será descrito no
próximo tópico. Estes volumes são replicados entre os hosts para oferecer
47
proteção à falha [MANFRIN, ALEXANDER, 2011]. A figura 20 ilustra esta
solução.
Figura 20 – vSphere Storage Applicance [MANFRIN, ALEXANDER, 2011]
5.1.2.2 VM6 Manage Cloud Platform
A solução VM6 Software é compatível com o Hyper-V da Microsoft. O VM6
deve ser instalado em servidores Windows Server 2008 com Hyper-V. Ele irá
criar uma nuvem entre os servidores e assumirá o controle do armazenamento
não utilizado, criando um armazenamento compartilhado virtual, virtual SAN.
Nesta virtual SAN pode-se criar partições virtuais que serão vistas por todos os
nós da nuvem, permitindo que máquinas virtuais possam ser migradas entre os
nós [VM6 SOFTWARE, 2011].
Existem outras soluções de hardware e software com o objetivo de atender a
necessidade das pequenas e médias empresas em utilizar o DAS para
virtualização. As redes de armazenamento compartilhadas, NAS e SAN, são
mais adequadas a grandes empresas com grande parque tecnológico e alto
investimento na aquisição e custo operacional.
48
5.2 ARMAZENAMENTO CONECTADO À REDE – NETWORK-ATTACHED
STORAGE (NAS)
O NAS é um dispositivo de compartilhamento de dados, em nível de arquivo,
conectado a rede local IP. Seu principal objetivo é a eliminação de múltiplos
servidores de arquivo, permitindo de forma rápida e direta o compartilhamento de
arquivos com baixo custo de gerenciamento.
O dispositivo NAS é um sistema de armazenamento e serviço de arquivo
dedicado de alto desempenho, e tem seus componentes de hardware e software
integrados para melhor atender as especificações do serviço de arquivo. Tem um
sistema operacional próprio de tempo real dedicado ao serviço de arquivo, que é
otimizado para executar com maior eficiência as tarefas de E/S de dados. Ele
serve a vários clientes através da rede IP e a maioria dos dispositivos NAS
suportam múltiplas placas de redes. Alguns fornecedores de NAS suportam
recursos como cluster para obter alta disponibilidade.
5.2.1 Componentes do NAS
O dispositivo NAS é composto pelos seguintes componentes de hardware e
software:
• Hardware: NAS head compostos de CPU e memória; matriz de
armazenamento que consiste em uma quantidade de discos e
configurações de RAID; placas de redes que são interfaces que
fornecem conectividade com a rede IP;
• Software: sistema operacional otimizado para o gerenciamento e
funcionalidades do compartilhamento de arquivos; protocolos de
compartilhamento de arquivos, normalmente Network File System
49
(NFS) para sistemas da família Unix e Common Internet File System
(CIFS) para sistemas Windows; protocolos de armazenamento que
conecta e gerencia os recursos de discos físicos.
O NAS head provê conectividade aos clientes e atende as solicitações de E/S
de dados através dos protocolos NFS ou CIFS. O cliente realiza o acesso ao
ambiente NAS por meio da rede IP. A figura 21 ilustra os componentes NAS e o
acesso pelos clientes.
Figura 21 - Componentes do NAS [SOMASUNDARAM, G., 2011]
5.2.2 Implantação do NAS
O dispositivo NAS pode ser implementado de duas formas: integrado ou
gateway. NAS integrado tem todos os componentes e sistema de
armazenamento em um único compartimento. Esta solução pode permitir
redimensionamento da capacidade de armazenamento ou NAS head, porém há
um limite para esta expansão. Já o NAS gateway consiste em um NAS head
50
independente conectado a uma ou mais matrizes de armazenamento. Esta
solução é mais redimensionável, permitindo que NAS heads e matrizes de
armazenamento sejam expandidas independentes quando necessárias.
5.2.3 Protocolos de Compartilhamento
Para lidar com as solicitações de leitura e gravação de arquivos para um
sistema de arquivo remoto o NAS suporta dois protocolos de compartilhamento:
o NFS utilizado predominantemente em ambiente Unix e CIFS utilizado em
ambiente Microsoft.
5.2.3.1 Network File System (NFS)
O NFS é um protocolo baseado no modelo cliente/servidor para o
compartilhamento de arquivos. Utiliza o Remote Procedure Call (RPC6) para
comunicação interprocessos entre os computadores cliente e servidor. Através
de um conjunto de RPCs o NFS oferece acesso ao sistema de arquivo remoto,
disponibilizando as seguintes operações de execução: pesquisa de arquivos e
diretório; abrir, ler, gravar e fechar arquivos; alterar atributos de arquivos;
modificar conexões de arquivos e diretórios.
Existem três versões de NFS em uso atualmente conforme
[SOMASUNDARAM, G, 2011]:
• NFS versão 2 (NFSv2): Usa o protocolo de transporte User Datagram
Protocol (UDP), que fornece conexão entre cliente e servidor sem
estado, ou seja, não mantem nenhuma tabela para manter informações
51
sobre ponteiros e arquivos abertos durante a conexão. Operações
como bloqueio são executadas fora do protocolo;
• NFS versão 3 (NFSv3): Mais usado, utiliza os protocolos UDP ou
Transmission Control Protocol (TCP) e é baseado em um projeto sem
estado de conexão. Inclui novos recursos como tamanho de arquivos
da arquitetura x64, gravação assíncrona e atributos adicionais para
arquivos;
• NFS versão 4 (NFSv4): Utiliza o protocolo de transporte TCP com
estado de conexão. Oferece maior segurança.
5.2.3.2 Common Internet File System (CIFS)
O CIFS é um protocolo de aplicação baseado no modelo cliente/servidor, uma
variação aberta do protocolo Server Massage Block (SMB). Através do protocolo
CIFS clientes podem ter acesso a arquivos remotos e compartilhar esses
arquivos com outros clientes por meio de bloqueios especiais. Os usuários
referem-se ao sistema de arquivo remoto através de um esquema de
nomenclatura \\servidor\compartilhamento.
5.2.4 Vantagens e Limitações do NAS
O NAS traz alguns benefícios: acesso abrangente às informações, onde
muitos clientes podem ser servidos por um NAS e um cliente pode ter acesso a
muitos NAS; armazenamento centralizado, eliminado múltiplos servidores de
6 Remote Procedure Call (RPC) é uma tecnologia de comunicação de processos que permite um programa de computador
chamar um processo em outro computador conectado à rede. É implementado por um modelo cliente / servidor onde o cliente
envia uma mensagem para o servidor remoto para executar um procedimento especifico.
52
arquivos; gerenciamento simplificado, através de console central de
gerenciamento do sistema de arquivo; capacidade de expansão, possibilitando a
expansão, conforme necessidade do tipo de aplicação; infraestrutura
simplificada, utilizando a rede local IP existente para troca de dados; alta
disponibilidade, oferecendo recursos de replicação, recuperação de dados,
redundância dos componentes de rede e pode utilizar tecnologia de cluster para
failover.
A largura de banda e a latência são as principais limitações que afetam o
desempenho e a disponibilidade do NAS, uma vez que utiliza a rede IP. Com
isso, é necessário ter uma rede local bem planejada para atender as
necessidades do uso do NAS. Outros fatores podem influenciar o desempenho:
retransmissão de dados; uso saturado dos equipamentos intermediários da rede;
tempo de autenticação nos serviços de diretórios como LDAP e NIS; alto nível
de utilização dos dispositivos NAS. Algumas ações podem ser realizadas para
melhorar o desempenho como a criação de rede local virtual, Virtual Local Area
Network (VLAN); estabelecer unidade máxima de transmissão, Maximum
Transmission Unit (MTU); e estabelecer o tamanho da janela de transmissão
TCP. Assim como agregação de links e redundância de rede para garantir alta
disponibilidade.
5.2.5 Utilizando NAS para Virtualização de Servidores
O NAS pode ser utilizado como alternativa de armazenamento para a alta
disponibilidade de servidores virtuais através do protocolo NFS. Porém, nem
todos os softwares de virtualização oferecem suporte a este protocolo, é o caso
da hyper-V da Microsoft. As considerações para escolha do NAS como
53
alternativa de armazenamento passam por questões como custo relativamente
baixo, desempenho, disponibilidade e facilidade de gerenciamento.
A facilidade proporcionada pela utilização da infraestrutura de rede IP já
existente aliada ao alto custo das redes SAN fazem com que o NAS seja, na
maioria das vezes, a escolha de armazenamento por pequenas e médias
empresas que implementam virtualização.
Atributos adicionais do armazenamento NAS podem ser levados em
consideração na escolha como: provisionamento fino, thin provisioning,
eliminação de duplicação e facilidade de backup e restauração dos servidores
virtuais.
Thin provisioning é o recurso que oferece melhor utilização da capacidade de
armazenamento, somente alocando espaço no volume quando dados são
gravados. Na maioria dos casos a alocação do espaço ocorre na criação do
volume, o que pode significar desperdício quando este espaço alocado não é
utilizado. O protocolo NFS oferece este recurso por padrão.
Uma solução de backup e restauração possível é através da matriz de
armazenamento baseado na tecnologia de snapshot7.
Uma consideração importante é referente à segurança em uma área de
armazenamento NFS, onde o tráfego é transmitido como texto não criptografado
através da rede local. Por este motivo é recomendado usar NFS em redes
confiáveis, de preferência em uma rede dedicada ou em uma VLAN isolada.
7 Snapshot é a tecnologia que permite realizar uma copia instantânea do sistema de arquivos proporcionando
proteção e recuperação de dados.
54
Em relação ao desempenho para a maioria dos ambientes virtuais os
protocolos NFS e iSCSI, que utilizam rede IP, fornecem desempenho de leitura e
gravação apropriado. Conforme testes realizados pela VMware o desempenho é
semelhante, com ligeiro aumento de processamento no host para as transações
NFS [VMWARE5, 2008]. Este assunto será melhor discutido no capítulo 7.
55
6 REDES DE ÁREA DE ARMAZENAMENTO – STORAGE AREA NETWORK
(SAN)
A SAN é uma rede dedicada de alto desempenho para a conexão de
servidores e dispositivos de armazenamento compartilhado, onde existem vários
caminhos disponíveis para o transporte de dados entre dois pontos.
Tradicionalmente a conexão é realizada através da rede fibre channel (FC), que
utiliza cabeamento de fibra óptica e dispositivos de interconexão como hubs FC e
switches FC, proporcionando maior disponibilidade, flexibilidade e segurança.
A combinação efetiva das vantagens da SAN junto com o FC se tornou uma
solução de armazenamento muito utilizada por grandes empresas. Porém, as
organizações precisam do desempenho e a capacidade de expansão da SAN
tradicional, com a facilidade de uso e o menor custo da solução NAS, baseada
no protocolo IP.
O surgimento da tecnologia IP com suporte a acesso a dados em nível de
blocos, iSCSI, permitiu o uso da SAN através da rede IP. Estas duas tecnologias
SAN FC, ou simplesmente SAN, e SAN IP são as mais utilizadas para alta
disponibilidade de servidores virtuais atualmente.
6.1 REDES DE ÁREA DE ARMAZENAMENTO SOBRE FC – STORAGE AREA
NETWORK (SAN FC)
A SAN FC proporciona alto desempenho no acesso aos dados, podendo
chegar à taxa de transferência de 10 Gbps, alta disponibilidade e confiabilidade
com caminhos redundantes e espelhamento de dados, escalabilidade provendo
capacidade de adicionar mais recursos à infraestrutura e gerenciamento
56
centralizado dos recursos. Porém, para prover todos esses benefícios é
necessário uma complexa infraestrutura.
• Componentes da SAN
A arquitetura SAN é composta de três componentes básicos:
• Componentes de interconexão: responsável pela conectividade física
entre os servidores e dispositivos de armazenamento;
• Protocolo de Transporte: responsável pelo transporte das mensagens
SCSI. O protocolo utilizado na SAN tradicional é o protocolo fibre
channel (FCP);
• Protocolo de comunicação: responsável pela comunicação entre os
elementos servidores, initiator, e dispositivos de armazenamento,
target. O protocolo utilizado é o SCSI.
6.1.2 Cabeamento Fibre Channel
A SAN utiliza cabeamento de fibra óptica como componente de interconexão.
Existem dois tipos de fibras ópticas: monomodo e multimodo. A figura 22 ilustra
os dois tipos.
• Multimodo: Multi-Mode Fiber (MMF) emite múltiplos sinais de luz
simultaneamente, projetados no núcleo do cabo em diferentes ângulos.
Estes sinais tendem a dispersar e colidir, o que enfraquece a força do
sinal. Este processo é conhecido como Dispersão Modal. Devido a esta
atenuação, os cabos MMF são utilizados normalmente em distâncias
de até 500 metros;
• Monomodo: Single-Mode Fiber (SMF) emite apenas um único raio de
luz projetado através do pequeno núcleo. Este sinal de luz viaja através
57
do núcleo em linha reta, limitando a dispersão modal. O monomodo é
utilizado em distâncias maiores, máxima de até 10 KM, devido a baixa
atenuação de sinal, limitado apenas pela potência do laser no
transmissor e pela sensibilidade do receptor.
Figura 22 – Fibras monomodo e multimodo
6.1.3 Topologia Fibre Channel
A arquitetura Fibre Channel pode ser implementada através das topologias:
ponto-a-ponto, laço arbitrado, fabric, fabric core-edge e mesh.
6.1.3.1 Ponto-a-ponto
Na topologia ponto-a-ponto a conexão é direta entre duas portas, ligando
diretamente dois dispositivos, através de uma conexão dedicada.
6.1.3.2 Laço Arbitrado – Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL)
A topologia FC-AL utiliza o hub FC como dispositivo de conexão, onde os
nós8 são conectados a um loop compartilhado, onde os dados são transmitidos
de nó para nó até chegar ao destino. Por este motivo o acesso ao meio é
ordenado e tem características de topologia lógica em anel e física em estrela.
Os nós compartilham a largura de banda e apenas um nó pode executar
operações de leitura e gravação de cada vez. Os dispositivos no loop devem
8 Os nós podem ser entendidos como servidores, dispositivos de interconexão e dispositivos de armazenamento.
58
arbitrar para obter o controle sobre o meio. Pouco usada. A figura 23 ilustra esta
topologia.
Figura 23 – Topologia Fibre Channel Arbitrated Loop [ DUARTE, OTTO, 2008]
6.1.3.3 Fibre Channel Switched Fabric (FC-SW)
A topologia FC-SW oferece dispositivos interconectados, largura de banda
dedicada e capacidade de expansão. Utiliza um ou mais fabric switches, onde os
dados são direcionados diretamente entre as portas físicas. Desta forma os nós
não compartilham a largura de banda, proporcionando melhor capacidade de
expansão, uma vez que a adição e remoção de um nó não afeta o tráfego em
andamento.
O FC-SW também é conhecido como conexão de fabric. O fabric é um
espaço virtual no qual todos os nós se comunicam em uma rede, podendo ser
criado com um ou mais switches e cada switch da fabric contém um identificador
de domínio único. A figura 24 ilustra esta topologia.
59
Figura 24 – Topologia Fibre channel switched fabric (FC-SW) [DUARTE, OTTO,
2008]
6.1.3.4 Fabric Core-Edge
Figura 25 – Topologia Core-Edge
Esta topologia oferece alta disponibilidade e aumenta a conectividade da
fabric. Há duas camadas de switches: camada edge, onde ficam os switches de
ponta e são conectados os hosts, e a camada core, onde são utilizados os
directors e são conectados os dispositivos de armazenamento. Os switches de
60
ponta estão ligados aos directors9 através da ligação inter-switch, inter-switch link
(ISL). A figura 25 ilustra esta configuração.
6.1.3.5 Mesk
Na topologia mesk cada switch é conectado diretamente ao outro, através da
ISL. Existem dois tipos de topologias mesk: integral ou parcial que são ilustradas
na figura 26. Na topologia mesk integral todos os switches da rede são
interligados servindo tráfego host-storage, de forma que no máximo uma ILS ou
um salto é necessário para o tráfego host-storage.
Na topologia mesk parcial diversos saltos ou ILSs são necessários para o
tráfego host-storag. Isso porque os switches são interligados de forma a ter
caminhos redundantes a todos os nós, porém, não são todos interligados. A
figura 26 ilustra os dois tipos de topologia mesk.
Figura 26 – Topologia mesk parcial e mesk integral [SOMASUNDARAM, G., 2011]
9 Directors são semelhantes aos switches FC, porem com maior capacidade de portas e tolerância a falha, usados em
implementações Fabric core-edge.
61
6.1.4 Portas Fibre Channel
A infraestrutura Fibre Channel utiliza um modelo cliente/servidor com base no
modelo SCSI, onde cada ponto de interconexão é denominado de porta Fibre
Channel, que possui a finalidade de estabelecer conexão entre os elementos do
sistema de armazenamento.
A figura 27 ilustra os tipos de portas suportadas na arquitetura Fibre Channel,
que são:
• Node Port – N_Port: é utilizada para estabelecer uma conexão com um
dispositivo de interconexão como um fabric switch. Geralmente é uma
porta do servidor ou do dispositivo de armazenamento, uma HBA;
• Fabric Port – F_ports: porta existente no fabric switch que apenas pode se
conectar a N_port;
• Loop Port – L_port: são utilizadas para o compartilhamento de largura de
banda em uma topologia FC-AL, que utiliza o hub fibre channel como
dispositivo de interconexão. Pode ter 2 designação: quando o servidor se
conecta ao hub FC, através da Node Loop Port, é designada de NL_Port,
ou quando tem-se uma configuração onde o switch FC se conecta a um
hub FC, é designada Fabric Loop Port, FL_Port;
• Expansion Port – E_Port: portas de expansão da topologia Fibric,
utilizadas para interligar switches FC. Apenas são conectadas em portas
do mesmo tipo E_port;
• Generic Port – G_Port: porta genérica que pode funcionar como uma
E_Port ou F_Port. Determina automaticamente sua função ao ser
inicializada.
62
Figura 27 – Portas Fibre Channel [NETO, ANTÔNIO, 2004]
6.1.5 Fibre Channel Protocol (FCP)
O protocolo Fibre Channel implementa o padrão SCSI-3 serial em uma rede
FC. Na arquitetura FCP os hosts identificam os dispositivos de armazenamento
externos ou remotos conectados à rede SAN como dispositivos locais.
As principais vantagens do FCP são:
• Largura de banda contínua em distâncias longas; e
• Suporta um número maior de dispositivos endereçáveis em uma rede.
Teoricamente pode suportar mais de 15 milhões de endereços em uma
rede.
Possui características de transporte de canal e fornece velocidade de até
8.5 Gbps.
63
6.1.5.1 Pilhas de Protocolos Fibre Channel
Protocolo de comunicação é melhor entendido como uma estrutura de
camadas independentes, onde cada camada se comunica com a camada
subsequente através de protocolos definidos. O FCP é definido em cinco
camadas: FC-0 até FC-4. A figura 28 ilustra a pilha de protocolos fibre channel.
Figura 28 – Pilha de protocolos Fibre channel [JAVVIN, 2012]
FC-4 é o protocolo de camada superior que define as interfaces com a
aplicação, através de diversos protocolos como SCSI, HIPPI, ATM e IP.
FC-3 é a camada usada para serviços comuns exigidos para recursos
avançados, como grupo de busca e multicast.
FC-2 é a camada de transporte que contém a carga útil, endereçamento de
portas de origem e destino e informações de controle de conexão.
FC-1 é a camada de transmissão, onde são definidas as regras de
codificação e decodificação serial, caracteres especiais usados e controle de
erro.
64
FC-0 é a camada de interface física, mais baixa da pilha, define a interface
física, mídia e a transmissão de bits brutos.
6.1.6 Zoneamento
O zoneamento é uma função do switch FC que permite segmentar
logicamente em grupos os dispositivos conectados no fabric, de forma que
apenas os membros da mesma zona possam estabelecer conexão. A figura 29
ilustra esta função.
Figura 29 - Exemplo de zoneamento [ DUARTE, OTTO, 2008]
A figura 30 ilustra os tipos de zoneamento, que podem ser categorizado de
três tipos:
• Zoneamento de portas: Usa os endereços FC das portas físicas para
determinar a zona. O acesso aos dados é determinado pela porta física
do switch a qual o nó está conectado. Este endereço é atribuído
dinamicamente quando o dispositivo se conecta à fabric. Este tipo de
zoneamento é mais seguro, porém uma alteração na configuração do
fabric requer uma reconfiguração da zona;
65
• Zoneamento WWN: Utiliza o World Wide Names10 (WWN) para
determinar a zona. Uma vantagem importante é sua flexibilidade,
permitindo que a SAN seja “recabeada” sem reconfigurar a zona;
• Zoneamento Misto: Combina o zoneamento de portas com o WWN,
permitindo que determinada porta seja associada ao WWN de um nó.
Figura 30 – Tipos de zoneamento [SOMASUNDARAM, G., 2011]
6.2 REDES DE ÁREA DE ARMAZENAMENTO SOBRE IP – STORAGE AREA
NETWORK IP (SAN IP)
A SAN tradicional apresenta inúmeras vantagens e se tornou a principal
tecnologia de rede de armazenamento. No entanto, o surgimento do protocolo
Internet Small Computer System Interface (iSCSI) proporcionou a utilização da
arquitetura IP para redes SAN, surgindo assim a SAN IP.
10 WWN é um identificador único usado para identificar HBAs. O identificador é “queimado” no hardware, semelhante aos
endereços Media Acess Control (MAC) das redes Ethernet.
66
A SAN IP surge como uma opção atrativa para as empresas, tendo em vista
que possibilita a utilização da infraestrutura ethernet já existente, o que reduz
custo de implementação e manutenção, uma vez que equipamentos fibre
channel são mais caros e a arquitetura ethernet está bem difundida no mercado
tecnológico.
Outro beneficio é em relação à taxa de transferência, que com a padronização
dos 10 Gbps Ethernet não há perda de desempenho para as redes fibre channel,
e o protocolo iSCSI tende a ganhar mais espaço nas redes de armazenamento.
6.2.1 Protocolo iSCSI
O protocolo iSCSI possuí o mesmo objetivo do protocolo fiber channel, que é
prover o transporte do protocolo SCSI entre os servidores de aplicação e os
dispositivos de armazenamento, tendo como principal diferença o meio físico
utilizado.
6.2.1.1 Conectividade iSCSI
O modelo de comunicação é o mesmo do protocolo SCSI, onde normalmente
o servidor é initiator e o dispositivo de armazenamento target. O protocolo iSCSI
foi desenvolvido com objetivo principal de disponibilizar acesso a dispositivos
padrão SCSI-3 conectados em uma rede TCP/IP, podendo ser implementado
através de software ou hardware. A figura 31 ilustra as implementações de
comunicação iSCSI.
67
Figura 31 – Implementações de comunicação iSCSI [NETO, ANTÔNIO, 2004]
O iSCSI implementado por software, o software iSCSI, é instalado no sistema
operacional do servidor e utiliza a interface de rede ethernet para comunicação
com o dispositivo de armazenamento. Nesta implementação todo o
processamento de encapsulamento do protocolo SCSI na pilha TCP/IP é
realizado pela CPU do servidor. Um exemplo é o software Microsoft iSCSI
Initiator.
Já a implementação por hardware pode ser realizada de duas formas: iSCSI
TOE e iSCSI HBA.
O iSCSI TOE é uma interface de rede com a finalidade de realizar o
processamento da pilha TCP/IP, ajudando a aliviar a carga de processamento do
servidor que continua com o processamento do protocolo iSCSI entregando o
68
pacote à interface iSCSI TOE, que realiza o encaminhamento para o destino por
meio do protocolo TCP/IP. Esta solução melhora o desempenho mas a
funcionalidade iSCSI ainda é realizada por um software initiator.
O iSCSI HBA realiza toda a carga de processamento da pilha de protocolos
TCP/IP e iSCSI na interface, fornecendo melhor desempenho. O uso de uma
interface iSCSI HBA é mais simples, uma vez que não há necessidade de
instalação de software no sistema operacional, porém o custo é maior em
comparação às outras interfaces de rede apresentadas.
6.2.1.2 Topologias para Conectividade iSCSI
As topologias utilizadas para a implementação do protocolo iSCSI são
categorizadas por dois tipos: nativa e com ponte. A figura 32 ilustra estas
topologias.
• Topologia Nativa: Nesta topologia não existem componentes fibre
channel, a comunicação é toda realizada através do protocolo TCP/IP;
• Topologia com ponte: permite a existência de comunicação fibre
channel e IP, realizando a ponte entre os protocolos iSCSI-FC. Um
exemplo é o servidor initiator que se comunica através da rede IP e o
dispositivo de armazenamento, target, que se comunica através de
uma conexão FC.
69
Figura 32 – Topologias de conectividade iSCSI Nativa e com Ponte
6.2.1.3 Pilha de Protocolos da Arquitetura iSCSI
O protocolo SCSI é baseado no modelo cliente/servidor e trabalha no nível da
camada de aplicação do modelo OSI.
O protocolo iSCSI trabalha na camada de sessão e é responsável por iniciar
uma sessão confiável entre dispositivos iSCSI realizando o encapsulamento das
mensagens SCSI.
O protocolo TCP é usado para garantir um serviço de entrega confiável,
atuando na camada de transporte: é responsável pelo controle de fluxo das
mensagens, janela de transmissão, recuperação de erros e retransmissão.
O IP atua na camada de rede e provê endereçamento e conectividade global.
Já o protocolo da camada de enlace permite comunicação nó-a-nó para cada
salto, através da rede.
70
A figura 33 ilustra a ordem de encapsulamento dos protocolos e suas
respectivas camadas do modelo OSI.
Figura 33 – Pilha de protocolos da arquitetura iSCSI [NETO, ANTÔNIO, 2004]
6.2.1.4 Sessão iSCSI
Uma sessão iSCSI pode ser definida como um enlace lógico entre as
entidades initiator e target para a troca de mensagens e dados. A sessão iSCSI é
responsável pela manipulação do login, autenticação, detecção de destinos e
gerenciamento da sessão. Ela é constituída de pelo menos uma conexão TCP/IP
entre as entidades. Quando a sessão iSCSI é estabelecida é criado um ID de
sessão que inclui um ID de sessão initiator (ISID) e um ID de sessão target
(TSID).
A sessão iSCSI pode servir a dois motivos: realizar a detecção de
dispositivos disponíveis para o initiator, através do serviço Internet Storage Name
Service (iSNS) e realizar a operação normal de troca de dados entre as
entidades.
71
A detecção de dispositivos pode ser realizada de duas formas: detecção por
SendTargets, onde a configuração é manual no initiator, sendo configurado a
porta, endereço IP do target e nome iSCSI; ou iSNS, onde a detecção é
automática.
O iSNS é o serviço onde as entidades initiator e target podem se registrar, e
sempre que um initiator precisa conhecer um destino que tenha permissão de
acesso realiza a consulta ao serviço iSNS. Não é muito usado.
A configuração manual depende de três informações: nome de domínio ou
endereço IP do dispositivo de armazenamento; a porta de conexão TCP, por
exemplo, 3260; e o nome iSCSI, um identificador mundial único que nomeia as
entidades initiator e target.
Nomes iSCSI são fornecidos em dois formatos:
• iSCSI Qualifield Name (IQN): é um nome gerado automaticamente
formado do prefixo “iqn” mais uma data e o nome de domínio do
dispositivo. Exemplo: iqn.2008-02.com.exemplo. O nome IQN pode ser
configurado manualmente, porém precisará ser mantido como um
nome único;
• Extended Unique Identifier (EUI): é um identificador global único
baseado no padrão de nome IEEE11 EUI-64. O ID EUI compreende o
prefixo “eui” seguido por um numero hexadecimal de 16 caracteres,
onde 24 bits identificam a empresa, atribuídos pelo IEEE, e 40 bits para
11 Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) é uma associação profissional com sede em Nova York que se dedica
a promover a inovação tecnológica e excelência. Um de seus mais importantes papéis é o estabelecimento de padrões para a
área de tecnologia e telecomunicações.
72
um Identificador único, como um número de série. Exemplo:
eui.0300732A32598D26.
6.2.1.5 Manipulação de Erros e Segurança iSCSI
O protocolo iSCSI define mecanismos de recuperação de erros, considerando
os possíveis problemas na entrega de dados decorrentes das redes IP.
Conexões TCP ocasionalmente podem falhar, o checksum12 de 16 bits utilizado
pelo protocolo como mecanismo de detecção de erros pode não ser suficiente.
O protocolo iSCSI define mecanismos para tratamento desses erros, sem a
necessidade de falha para o comando SCSI correspondente. O sequenciamento
de comandos é um mecanismo utilizado para o controle de fluxo. Os comandos
que falham são detectados a partir dos números de sequência.
A detecção e recuperação de erros no protocolo iSCSI pode ser classificado
de três tipos:
• Session Recovery: é o tipo mais básico de recuperação, quando um
erro é detectado a sessão iSCSI é terminada. Todas as conexões TCP
são fechadas e todos os comandos SCSI pendentes são completados
com status de erro apropriado. Em seguida uma nova sessão é
estabelecida e o protocolo SCSI pode então refazer os comandos que
falharam na execução. O protocolo iSCSI passa a recuperação dos
comandos para o protocolo superior;
• Digest Failure Recovery: O protocolo iSCSI define um checksum de 32
bits, o CRC digest para seguimentos iSCSI, com a finalidade de
12 Checksum ou soma de verificação é um código usado para verificar a integridade de dados transmitidos através de
um canal com ruídos.
73
detecção de erros. Caso seja identificada a chegada de dados com o
CRC inválido o seguimento é rejeitado e o initiator é notificado para o
reenvio do mesmo;
• Connection Recovery: No caso de falha na conexão TCP, o comando
SCSI fica pendente. Novas conexões TCP são abertas para substituir a
que falhou, e a nova conexão continua a partir do ponto que ocorreu a
falha.
Para a maioria das aplicações que executam requisições de E/S de dados
utilizando o protocolo iSCSI o mecanismo Session Recovery é suficiente. Em
enlaces de longas distâncias a ocorrência de problemas na comunicação é mais
comum. Para estes casos um nível mais complexo de recuperação torna-se
adequado como Digest Failure Recovery ou Connection Recovery.
Em relação a segurança, como o protocolo iSCSI utiliza protocolos
desenvolvidos para a pilha TCP/IP, o iSCSI pode se beneficiar da tecnologia
IPSec, proporcionando um nível de segurança maior na sua comunicação.
74
7 ANÁLISE COMPARATIVA DAS REDES DE ARMAZENAMENTO
Tendo em consideração as características das redes de armazenamento
apresentadas, bem como suas principais diferenças, este tópico apresentará
uma análise comparativa com o objetivo de fornecer o conhecimento necessário
para a escolha da melhor arquitetura de rede de armazenamento, conforme a
solução a ser implementada para virtualização de servidores.
A figura 34 ilustra as topologias de redes de armazenamento apresentadas,
DAS, NAS, SAN e SAN IP, com foco nos protocolos de transporte e todo o
processo de encapsulamento, demostrando todas as camadas do processo, do
sistema operacional do servidor até o acesso aos dados no dispositivo de
armazenamento.
Figura 34 – Comparação das topologias de Redes de Armazenamento [ DUARTE,
OTTO, 2008]
75
Os principais itens que devem ser observados são: o meio físico e o protocolo
de transporte. Basicamente são eles que definem todos os parâmetros de
comparação.
A arquitetura DAS é a mais simples e limitada e sua configuração original não
atende às necessidades de alta disponibilidade para os servidores virtuais.
Sendo possível sua utilização para este fim através de softwares adicionais,
apresentados no capítulo 5, que são limitados a uma quantidade pequena de
servidores virtuais. Por este motivo a arquitetura DAS não será discutida mais
amplamente, ampliando esta discussão para as arquiteturas NAS, SAN e SAN IP
e seus respetivos protocolos NFS, FC e iSCSI.
7.1 COMPARAÇÃO DOS PROTOCOLOS iSCSI, NFS e FC PARA
VIRTUALIZAÇÃO
Este tópico apresenta uma comparação dos principais parâmetros dos
protocolos, proporcionando uma visão geral que ajudará em uma escolha mais
acertada ao definir a arquitetura de armazenamento para uma implementação de
alta disponibilidade de servidores virtuais.
Como mencionado no capitulo 5, o NFS não é suportado por todos os
softwares de virtualização do mercado, um exemplo é o HyperV da Microsoft.
Para esta comparação foi utilizado como base o software vSphere da VMware.
• Descrição
� iSCSI – O iSCSI possibilita que o servidor de virtualização em vez de
acessar blocos de um disco local, realize operações e/s de dados
através de uma rede de armazenamento, utilizando um protocolo de
acesso em nível de bloco. No caso do iSCSI, blocos remotos são
76
acessados através do encapsulamento de comandos SCSI e dados em
pacotes TCP/IP.
� NFS – O NFS possibilita que o servidor de virtualização tenha acesso à
dispositivos de armazenamento em nível de arquivo através da rede
TCP/IP. O dispositivo de armazenamento NFS disponibiliza seus
sistemas de arquivo local para montagem nos servidores de
virtualização.
� FC – O Fibre Channel (FC) é semelhante ao iSCSI, permitindo acesso
aos dispositivos de armazenamento em nível de bloco. Novamente, as
operações e/s de dados são realizadas através de uma rede local,
usando um protocolo de acesso de bloco. Na FC blocos remotos são
acessados através do encapsulamento de comandos SCSI e dados em
quadros de FC.
• Opções de Implementação
� iSCSI – Através de adaptador de rede com recursos de iSCSI ou usando
software iniciador iSCSI.
� NFS – Através de adaptador de rede padrão.
� FC – Requer um adaptador, Host Bus Adapter (HBA). Normalmente dois
adaptadores, para redundância de caminhos.
• Considerações Sobre o Desempenho
� iSCSI – O iSCSI pode executar em redes de 1Gbps, com links
agregados ou uma rede TCP/IP de 10 Gbps. Várias conexões podem
ser multiplexadas em uma única sessão, estabelecida entre o iniciador
iSCSI e o destino. O software vSphere da VMware oferece suporte a
77
quadros jumbo para tráfego iSCSI, o que pode melhorar o
desempenho. Quadros Jumbo enviam cargas maiores que 1.500 bytes.
� NFS – O NFS pode executar em redes de 1Gbps, com links agregados
ou uma rede TCP/IP de 10 Gbps, pode introduzir sobrecarga na CPU
do servidor de virtualização. Suporta UDP, mas na implementação do
VMware requer TCP. O software vSphere da VMware oferece suporte
a quadros jumbo para tráfego NFS, o que pode melhorar o
desempenho.
� FC – O FC pode ser executado em 1 Gbps, 2 Gbps, 4 Gbps, 8 Gb ou 16
Gbps. Este protocolo afeta menos o consumo de CPU do servidor de
virtualização porque HBAs, necessários para FC, realizam a maioria do
processamento como encapsulamento de dados SCSI em quadros de
FC. Uma consideração para a versão 5 do software vShepe e que as
HBAs de 16 Gbps devem ser configuradas para executar a 8 Gbps no
recurso “Buffer de créditos acelerador de soluções de problemas” para
garantir uma rede sem perdas.
• Balanceamento de Carga
� iSCSI – A arquitetura de armazenamento conectável, Pluggable Storage
Architecture (PSA) da VMware, oferece um rodizio Round Robin (RR)
através da política de seleção de caminho, Path Selection Policy
(PSP), que distribui a carga entre vários caminhos para um destino
iSCSI. Melhor distribuição de carga com PSP_RR é alcançada quando
vários armazenamentos de dados são acessados simultaneamente.
78
� NFS – Não há nenhum balanceamento de carga na atual implementação
do NFS porque trabalha apenas com uma única sessão. A largura de
banda agregada pode ser configurada através da criação de vários
caminhos para dispositivos de armazenamento NAS, acessando
alguns armazenamentos de dados através de um caminho e outros
armazenamentos de dados através de outro caminho.
� FC – A arquitetura de armazenamento conectável, Pluggable Storage
Architecture (PSA) da VMware, oferece um rodízio Round Robin (RR)
através da política de seleção de caminho, Path Selection Policy
(PSP), que distribui a carga entre vários caminhos para um destino FC.
Melhor distribuição de carga com PSP_RR é alcançada quando vários
armazenamentos de dados são acessados simultaneamente.
• Recuperação de Falha
� iSCSI – A arquitetura de armazenamento conectável, Pluggable Storage
Architecture (PSA) da VMware, implementa failover através do Storage
Array Type Plugin (SATP) para todos as matrizes iSCSI com suporte. O
método preferido para fazer isso é através da implementação do
software iSCSI, mas pode ser conseguido adicionando múltiplos
destinos em diferentes sub-redes mapeados pelo iniciador iSCSI.
� NFS – Através do agrupamento de adaptador de rede, que pode ser
configurado de modo que se uma interface falhar, outra pode assumir
seu lugar. No entanto, isso depende de uma falha de rede e pode não
ser capaz de manipular condições de erro que ocorrem do lado do
dispositivo de armazenamento NFS.
79
� FC – A arquitetura de armazenamento conectável, Pluggable Storage
Architecture (PSA) da VMware, implementa failover através da Storage
Array Type Plugin (SATP) para todas as matrizes suportadas pela
arquitetura FC.
• Verificação de Erros
� iSCSI – O iSCSI usa TCP, que reenvia pacotes descartados.
� NFS – O NFS usa TCP, que reenvia pacotes descartados.
� FC – O FC é implementado como uma rede sem perdas. Isto é
conseguido através da limitação de throughput em tempos de
congestionamento.
• Segurança
� iSCSI – O iSCSI implementa o Challenge Handshake Authentication
Protocol (CHAP) para garantir que os iniciadores e destinos confiem
uns nos outros. VLANs ou redes privadas são altamente
recomendadas para isolar o tráfego iSCSI de outros tipos de tráfego.
� NFS – VLANs ou redes privadas são altamente recomendadas para
isolar o tráfego NFS de outros tipos de tráfego.
� FC – Alguns switches FC suportam os conceitos de Virtual SAN (VSAN),
que isola partes da infraestrutura de armazenamento. VSANs são
conceitualmente semelhantes a VLANs. Zoneamento entre hosts e
destinos FC também oferece um grau de isolamento.
• Tamanho e Numero Máximo de Dispositivo
� iSCSI – O iSCSI suporta um número máximo de 256 dispositivos com
tamanho máximo de 64 terabytes.
80
� NFS – O NFS suporta por padrão 8 dispositivos, podendo suportar 256.
Para o tamanho máximo do dispositivo deve-se consultar o fornecedor
do dispositivo de armazenamento NAS para informações. Tamanho
teórico é muito maior do que 64 terabytes.
� FC – O FC suporta um número máximo de 256 dispositivos com
tamanho máximo de 64 terabytes.
• Protocolo direto à Maquina Virtual
� iSCSI – O iSCSI da suporte ao acesso direto a máquina virtual por meio
do iniciador iSCSI.
� NFS – O NFS da suporte ao acesso direto a máquina virtual através do
cliente NFS.
� FC – O FC não da suporte ao acesso direto a máquina virtual. Porem a
VMware permite que os dispositivos FC sejam mapeados diretamente
para a máquina virtual com o NPIV. Isso ainda exige prévio
mapeamento de RDM para a máquina virtual e o hardware deve
oferecer suporte a NPIV (switch FC, HBA).
• Configurações Especificas do VMware
� Raw Device Mapping (RDM) é uma opção no servidor de virtualização
do VMware que permite que uma máquina virtual se conecte
diretamente a uma área de armazenamento de dados através da
arquitetura SAN. Suportado pelos protocolos iSCSI e FC, o NFS não
dá suporte ao RDM.
� VMware VMotion move em tempo real máquinas virtuais em execução
de um servidor de virtualização para outro e, ao mesmo tempo,
81
mantém a disponibilidade contínua dos serviços. Os protocolos iSCSI,
NFS e FC dão suporte a esta configuração.
� VMware Distributed Resource Scheduler (DRS) realiza
automaticamente a migração de máquinas virtuais entre os servidores
de virtualização do pool de recursos de forma a redistribuir com
inteligência os recursos disponíveis. Os protocolos iSCSI, NFS e FC
dão suporte a esta configuração.
• Facilidade de Configuração
� iSCSI – Médio, configurar o iniciador iSCSI exige conhecimento do
FQDN ou endereço IP de destino, além de algumas configurações para
mapeamento do iniciador e apresentação da unidade logica, Logical
Unit Number (LUN) do lado do dispositivo de armazenamento. Depois
que o destino foi descoberto através de uma verificação da SAN, LUNs
estão disponíveis para armazenamentos de dados ou RDMs.
� NFS – Fácil, requer apenas o IP ou o FQDN do destino, mais o ponto de
montagem. Armazenamentos de dados aparecem imediatamente após
o acesso ser concedido do lado do dispositivo de armazenamento
NFS.
� FC – Difícil, envolve zoneamento em nível de switch FC e máscara de
LUN no nível do dispositivo de armazenamento, após o zoneamento é
completo. É mais complexo para configurar do que o armazenamento
IP. Depois que o destino foi descoberto através de uma verificação da
SAN, as LUNs estão disponíveis para armazenamentos de dados ou
RDMs.
82
• Vantagens
� iSCSI – Nenhum hardware adicional é necessário. Pode usar
componentes de hardware de rede existentes e driver iSCSI, assim
tem baixo custo para implementar. Bastante maduro, administradores
com competências de rede devem ser capazes de implementar.
Soluções de problemas podem ser realizadas com ferramentas de rede
genéricas como o Wireshark.
� NFS – Nenhum hardware adicional é necessário. Pode usar
componentes de hardware existente na rede, por isso tem baixo custo
de implementação. Protocolo conhecido, também é muito maduro.
Administradores com competência de rede devem ser capazes de
implementar. Soluções de problemas podem ser realizadas com
ferramentas de rede genéricas como o Wireshark.
� FC – Protocolo bem conhecido e bem compreendido. Muito maduro e
confiável. Encontrado na maioria dos ambientes de missão critica.
• Desvantagens
� iSCSI – Incapacidade para rotear com ligação iSCSI implementada.
Problema de segurança possível, porque não há nenhuma criptografia
interna, então o cuidado deve ser tomado para isolar o tráfego, por
exemplo, VLANs. Software iSCSI pode causar sobrecarga adicional na
CPU do servidor de virtualização. TCP pode apresentar latência para
iSCSI.
� NFS – Há apenas uma única sessão por conexão. Mesmas
preocupações de segurança que o iSCSI, porque tudo é transferido
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não criptografado, então deve ter cuidado para isolar o tráfego, por
exemplo, VLANs. Pode causar sobrecarga adicional na CPU do
servidor de virtualização. TCP pode apresentar latência para NFS. No
VMware a implementação NFS ainda é a versão 3, que não tem as
características de vários caminhos ou segurança de NFS v4 ou NFS v
4.1.
� FC – Requer adaptador HBA dedicado, switch FC e interface FC no
dispositivo de armazenamento, que faz com que a implementação FC
tenha um alto custo. Sobrecarga de gerenciamento adicional, por
exemplo, mudar o zoneamento. Pode revelar-se mais difícil de
solucionar do que os outros protocolos. No VMware ainda funciona
somente a 8 Gbps, que é mais lento do que outras redes.
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8 CONCLUSÃO
A arquitetura Storage Area Network Fibre channel (SAN FC) é hoje uma
arquitetura consolidada no mercado e amplamente utilizada pelas grandes
corporações quando se pensa em alta disponibilidade de servidores virtuais.
Diversos fatores influenciam para esta escolha favorável à utilização da
arquitetura SAN FC: quadro sem overhead13 adicional ao seu enquadramento;
possibilidade de utilização de sequenciamento de quadros e de classes de
serviços; implementação de enlaces de alto desempenho; e ser a arquitetura de
rede de armazenamento implementada nas primeiras versões dos principais
softwares de virtualização.
De fato, a arquitetura SAN FC apresentou ao longo do tempo um
amadurecimento que proporciona a confiança necessária para sua
implementação em alta disponibilidade de servidores virtuais. Porém sua
implantação pode não ser viável financeiramente dependendo do cenário.
O surgimento do protocolo iSCSI e sua padronização possibilitou uma nova
arquitetura de rede de armazenamento, a Storage Area Network Internet Protocol
(SAN IP). Por ser baseada na arquitetura IP depende dos protocolos das
camadas superiores para prover a entrega das mensagens SCSI ao dispositivo
de armazenamento, introduzindo assim um overhead pela pilha TCP/IP e
enquadramento Ethernet. Porém, com o aumento de banda passante das redes
ethernet para 1Gbps e 10Gbps, utilização de links agregados, VLANs e até
mesmo o isolamento da rede para uso exclusivo do iSCSI, são soluções que
13 Overhead é a carga excessiva de processamento ou armazenamento, seja de tempo de CPU, memória ou largura de banda.
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fazem com que este overhead não atrapalhe seu desempenho. Por utilizar rede
IP seu custo é atraente para muitas empresas e passou a ser uma opção de rede
de armazenamento interessante para os softwares de virtualização.
A arquitetura Network Area Storage (NAS) através do protocolo NFS passou a
ser uma opção de rede de armazenamento na versão 4 do vSphere, software de
virtualização da VMware, empresa que possui a maior representação no
mercado de virtualização. Porém, algumas limitações foram apresentadas e por
ser uma opção relativamente nova para o ambiente de virtualização, onde vários
softwares de virtualização não têm suporte, é preciso alcançar uma maior
maturidade. Mesmo assim, pode ser uma opção para pequenas e médias
empresas por ser uma arquitetura de baixo custo de implementação e
manutenção, e com desempenho próximo ao alcançado pela arquitetura SAN IP.
Seguindo a necessidade de atender a um público de pequenas e médias
empresas, algumas soluções de alta disponibilidade para Virtualização utilizando
a arquitetura Direct Area Storage (DAS) foram desenvolvidas. Porém, estas
soluções se mostram bem limitadas, atendendo a um número pequeno de
servidores virtuais, podendo ser uma opção para determinados cenários com
poucos servidores virtuais.
Com isso, pode-se concluir que não há uma solução de arquitetura de rede de
armazenamento padrão para atender a alta disponibilidade de servidores virtuais.
Tudo vai depender do cenário que se deseja implementar esta solução e quais
premissas são importantes para este cenário. Este trabalho apresentou uma
visão das características das redes de armazenamento que podem ser adotadas,
para que seja realizada a melhor escolha para os cenários que se apresentem.
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